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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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Cylindrical casks made of ductile cast iron are used for transport, interim storage and final disposal of radioactive waste in Germany. A basic design criterion is the ability to withstand a horizontal drop without impact Binders onto a foundation representative for the real ground of a storage facility. The increasing use of more cost-effective material compositions requires optimized cask geometries to reduce stresses and strains in the cask structure. For example, a non-uniform wall thickness was introduced to reduce maximum wall bending stresses. As a result, the load characteristics changed from line load to point load at bottom and lid side under horizontal drop fest conditions. Hereby, the position of highest stress inside the structure has shifted significantly. This was the reason for a systematic investigation of effects caused by small design changes or small variations of fest conditions. It led to a better understanding of the positions of high local stresses, their time history and maximum value for cylindrical casks under horizontal drop test conditions. Hence, the paper presents the lessons learnt from modeling and simulating such scenarios considering an impact without limiters onto a realistic target.
Mechanical and thermal safety analyses and demonstrations for cubic DCI multipurpose containers
(1997)
Abgeleitet aus den in Teil 3 der „Systemanalyse Konrad“ definierten Lastannahmen für den „untertägigen Anlagenbereich“ müssen Verpackungen, die der Abfallbehälterklasse I (ABK I) mit dem zusätzlichen Merkmal der störfallfesten (sf) Verpackung oder der ABK II zugeordnet werden, gemäß den „Endlagerungsbedingungen, Endlager Konrad“, nach einem „…Fall aus 5 m Höhe auf eine unnachgiebige Unterlage…“ bestimmten Anforderungen genügen.
Eine nähere Beschreibung der Prüfeinrichtung sowie die Definition detaillierter Anforderungen an das Aufprallfundament erfolgen in der „Produktkontrolle, Endlager Konrad“: „Die Prüfeinrichtung, bestehend aus einer Hebeeinrichtung und einem Fundament ist so zu gestalten, dass der Fall des Prüfmusters in jeder beliebigen Aufprallorientierung aus 5 m Höhe, gemessen von der Unterkante des Prüfmusters zum Fundament, möglich ist. Das Fundament ist aus Beton der Mindestgüte B 35 herzustellen und muss so beschaffen und verankert sein, dass keine Zerstörung in zahlreiche kleinere Bruchstücke erfolgt und keine horizontale Verschiebung des Fundamentes oder seiner Teile auftritt. Maße und Masse des Fundaments müssen so beschaffen sein, dass der Einfluss des Baugrundes unter dem Fundament auf den Aufprallwiderstand vernachlässigbar ist.“
Im Rahmen der Bauartprüfung für Behälter zur Endlagerung radioaktiver Abfälle mit zu vernachlässigender Wärmeentwicklung im Endlager Konrad wird die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) von der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) als Sachverständige hinzugezogen und ist in der Regel auch mit der Durchführung der notwendigen Fallprüfungen auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM TTS) einschließlich der Bereitstellung der benötigten Prüfeinrichtungen sowie des regelkonformen Aufprallfundamentes beauftragt. Der Prozess, beginnend von der Gewährleistung einer von allen Beteiligten als gültig bewerteten Fallprüfung bis hin zur abschließenden Bewertung und Interpretation der Versuchsergebnisse erfordert dabei u.a. eine sorgfältige Planung und Fertigung der für das Endlager Konrad repräsentativen Fundamentplatte und deren Ankopplung an einen Untergrund im Sinne der „Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material“ wie er zum Beispiel auf den beiden Fallversuchsanlagen des BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) zur Verfügung steht.
Um diese Anforderungen zu erfüllen muss zum einen der Erhalt der Integrität der Fundamentplatte beim Fallversuch durch eine geeignete Auswahl und kraftflussgerechte Anordnung der Stabstahl-Bewehrung sowie deren Verankerung garantiert und damit eine unzulässige Energieaufnahme durch Risse sowie eine unzulässige „… Zerstörung (der Fundamentplatte) in zahlreiche kleinere Bruchstücke …“, wie in [3] gefordert, verhindert werden. Außerdem ist zu gewährleisten, dass der Beton die Anforderungen an die vorgeschriebene Mindestgüte bzw. -festigkeit zum Zeitpunkt der Fallprüfung erfüllt, die Betonfestigkeit jedoch zur Vermeidung unnötig verschärfter Prüfrandbedingungen eine zu definierende Obergrenze nicht überschreitet.
Ausgehend von dem 2009 im Rahmen der KONTEC veröffentlichten Wissensstand präsentiert die BAM im vorliegenden Beitrag die wesentlichen Ergebnisse der zwischenzeitlich bei der Planung und Durchführung von zahlreichen Fallprüfungen gewonnenen Erfahrungen bzgl. Spezifikation und Fertigung der für die Fallversuche notwendigen Fundamentplatten sowie deren Anbindung an den Untergrund. Neben den immer wieder notwendigen Anstrengungen zur Gewährleistung einer im Rahmen der Definition korrekten Betondruckfestigkeit am Tag der Fallprüfung wird die Anpassung der Bewehrungsführung an verschiedene Fallpositionen diskutiert.
Zur Ergänzung des gültigen Regelwerks entsteht parallel zu diesem Dokument eine Fachnotiz, in der BGE und BAM die Vorgaben und Spezifikationen zur regelwerkskonformen Herstellung und Montage von Fundamentplatten für Fallprüfungen im Rahmen der Behälterbauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad zusammenfassen und veröffentlichen werden. Diese Fachnotiz soll detaillierte Vorgaben und Spezifikationen zur Planung, Beauftragung, Herstellung und abschließenden Prüfung eines solchen Fundamentes und dessen Anbindung an den Untergrund enthalten. Damit soll allen beteiligten Organisationen wie Antragstellern, Sachverständigen und BGE ein langfristig verlässlicher Leitfaden im Hinblick auf die Durchführung anforderungsgerechter Fallprüfungen unter definierten und reproduzierbaren Randbedingungen im Rahmen der Bauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad an die Hand gegeben werden.
Strategien zur Bestimmung von Temperaturen von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe
(2010)
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) führt im Rahmen einer Verwaltungsvereinbarung mit dem Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) Bauartprüfungen für Behältertypen durch, die für die Endlagerung von nicht wärmeentwickelnden radioaktiven Abfällen in das Endlager Konrad vorgesehen sind.
Zur Erlangung einer Eignungsbestätigung einer Behälterbauart für das Endlager Konrad müssen die Antragssteller die Einhaltung der vom BfS festgelegten behälterspezifischen Anforderungen nachweisen. Zentrale Bestandteile der Bauartprüfung sind die Sicherheitsnachweise zur Behälterauslegung gegen mechanische Betriebs- und Störfallbelastungen sowie gegen thermische Störfallszenarien. Die Prüfanforderungen umfassen hierbei Stapeldruckprüfung, Hebeprüfung, Fallprüfung, thermische Prüfung (Brand), ggf. einschließlich Dichtheitsprüfung zum Nachweis der Einhaltung von Dichtheitsanforderungen.
Neben der Nachweisführung mittels sogenannter Baumusterprüfungen oder Obertragbarkeitsbetrachtungen können die Nachweise alternativ mittels numerischer Sicherheitsnachweise erbracht werden, sofern deren hinreichende Verifikation nachgewiesen wird, Dies kann u. a. durch den Vergleich mit hinreichend gesicherten experimentellen Ergebnissen geschehen, Die hier vorgestellten Untersuchungen sind Teil des internen Forschungsprojektes ConDrop der BAM, das zum Ziel hat, erweiterte Prüfmethoden zur Fallprüfung an Stahlblechcontainern für das Endlager Konrad mittels numerischer Beanspruchungsanalyse zu entwickeln. Dazu soll ein Finite-Elemente-(FE)-Modell entwickelt und mit experimentellen Daten, die in Fallversuchen ermittelt werden, verifiziert werden.
The German nuclear waste management strategy consists of dry interim storage of spent fuel inside dual purpose casks and its subsequent direct final disposal in a deep geological repository. Interim storage is limited to 40 years so far, but will have to be extended until repository site selection and operation is concluded, potentially up to 100 years. In this context, research on the long term performance of safety relevant cask components and fuel rod integrity during such extended periods of time is of outmost importance. The barrier function of the fuel cladding depends on its integrity under operational and accidental conditions along with storage and subsequent transportation and is mainly affected over time by altering of the cladding microstructure and by thermo-mechanical conditions during reactor operation and subsequent wet and dry storage.
This paper focuses on failure mechanisms regarding cladding embrittlement caused by physical phenomena concerning hydrogen dissolution and precipitation of hydrides in the zirconium matrix. Within this context, potential cladding integrity issues under extended interim storage conditions followed by transportation are emphasized.
Delayed hydride cracking (DHC) is a well-known time-dependent temperature-activated phenomenon failure mechanism of the fuel cladding during reactor operation. The phenomenon consists of hydrogen diffusion and hydride precipitation at the tip of an initial crack and the propagation of the crack to an approximate distance equal to the length of the hydride. This failure mechanism is temperature-activated phenomenon and enhances along with thermal cycling of the fuel cladding, e. g. during reactor shutdowns. DHC shows limited relevance under quasi static storage conditions with continuously lowering temperatures. However, the literature points that DHC may occur when the temperature during storage decreases to a certain level after some decades and in combination with stress concentrations in the cladding material.
When spent fuel is transferred to dry storage by vacuum drying, the cladding temperature raises up to peak temperatures of ~370°C. Under these conditions, hydrides dissolute into the zirconium matrix up to the solubility limit defined by the peak temperature and this amount of hydrogen can precipitate in a radial re-oriented fashion due to the temperature decrease during storage. Cladding materials with radially precipitated hydrides show significant embrittlement. Radially oriented hydrides are perpendicularly oriented to hoop stresses representing the most critical configuration. Brittle failure of the cladding then occurs by crack propagation through radially oriented hydrides and finally through the zirconium matrix. The susceptibility to radial hydride precipitation depends on cladding material type and microstructure, hydrogen content, pre-drying hydride distribution, irradiation conditions, and temperature and stress histories during drying and storage operations.
This paper addresses major considerations concerning spent fuel cladding embrittlement due to hydride precipitation with regard to the boundary conditions of dry spent fuel storage in Germany. Analytical, numerical, and experimental approaches are to be discussed by BAM in order to identify the specific needs for future R&D work in that area with the purpose to provide the necessary data base for proper safety demonstration and evaluation along with future extended storage licensing procedures.
Es werden Methoden zur sicherheitstechnischen Bewertung des mechanischen Verhaltens von Brennstabhüllrohren entwickelt, um sprödes Versagen in Belastungsszenarien nach längerfristiger trockener Zwischenlagerung zu verhindern. Unbestrahlte Brennstabhüllrohrsegmente aus der Zirkoniumlegierung ZIRLO® wurden hydriert und thermomechanischen Behandlungen unterzogen, um Hüllrohrmaterial durch Ausscheidung radialer Hydride zu verspröden. Die Proben mit radialen Hydriden wurden im Ring Compression Test (RCT) bei Raumtemperatur untersucht. Bereits bei kleinen Probenverformungen wurden abrupte Kraftabfälle mit instabiler Rissausbreitung durch das Netzwerk radialer Hydride beobachtet. Die Risslängen erreichten in einigen Fällen bis zu 90 % der Wanddicke. Der mikromechanische Versagensmechanismus ist Quasi-Spaltbruch in den Hydriden und Porenbildung, -wachstum und -vereinigung in der Zirkoniummatrix an den duktilen Brücken zwischen benachbarten Hydriden. Es wurde ein Finite-Elemente-Modell des Ring Compression Tests erstellt, um das Versagensverhalten zirkoniumbasierter Legierungen mit radialen Hydriden im RCT zu analysieren. Die Fließkurve für das elastisch-plastische Materialmodell des Matrixmaterials wurde durch eine inverse Finite-Elemente-Analyse ermittelt. Kohäsivzonenmodelle wurden benutzt, um die plötzlichen Kraftabfälle zu reproduzieren. Es wurde ein mikromechanisches Modell mit statistisch generierten Matrix-Hydrid-Verteilungen entwickelt, das zwischen sprödem Versagen entlang der Hydride und duktilem Versagen der Zirkoniummatrix in der Kohäsivzone unterscheidet. Für das jeweilige Materialverhalten wird ein lokales zweiparametriges Versagenskriterium auf Grundlage der Kohäsionsfestigkeit und der Separationsenergie bei einer festgelegten Form des Kohäsivgesetzes vorgeschlagen. Geeignete Kohäsivparameter lassen sich mit einer inversen Finite-Elemente-Analyse des Versagensverhaltens von hydrierten Proben im Ring Compression Test bestimmen. In den Simulationen lag der Schwerpunkt auf dem ersten Kraftabfall. Die Berechnungsergebnisse stimmen gut mit den RCT-Ergebnissen überein. Es konnte gezeigt werden, dass die Rissinitiierung und -ausbreitung stark von der speziellen Anordnung der radialen Hydride und Matrixbrücken in der Bruchzone abhängt. Die numerische Modellbildung wurde an Versuchen mit bestrahlten Proben aus der Zirkoniumlegierung M5® validiert.